衛(wèi)生潔具輥道窯熱平衡測(cè)試與節(jié)能分析

歐儉平，魏永春，馬愛(ài)純，陳宗威，賈金鵬

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

衛(wèi)生潔具輥道窯熱平衡測(cè)試與節(jié)能分析

歐儉平，魏永春，馬愛(ài)純，陳宗威，賈金鵬

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

摘 要：為提高某陶瓷廠衛(wèi)生潔具輥道窯熱技術(shù)水平，解決實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、熱效率低等問(wèn)題，對(duì)該輥道窯實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和采集，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：輥道窯熱效率為65.4%，能源利用效率一般，節(jié)能潛力較大?？赏ㄟ^(guò)合理組織燃燒、降低煙氣抽出量、優(yōu)化排煙方式、選用薄托板等措施來(lái)進(jìn)一步提高輥道窯熱效率。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)生潔具；輥道窯；熱平衡測(cè)試；節(jié)能

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0　引 言

目前，我國(guó)共有建筑衛(wèi)生陶瓷廠3000多家，大小窯爐上萬(wàn)座，年耗標(biāo)準(zhǔn)煤近500萬(wàn)噸，但能源利用效率普遍較低，僅為歐美先進(jìn)窯爐的一半[1]。在陶瓷生產(chǎn)中，窯爐燒成能耗占到企業(yè)綜合能耗的60%-80%[2]，其能源利用效率決定著整個(gè)陶瓷行業(yè)的能耗水平。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在陶瓷窯爐節(jié)能方面做了一些研究，在輥道窯燒嘴布置方面，劉明等[3]采用VB軟件編制輥道窯能耗分配通用軟件；陳功備等[4]模擬陶瓷窯爐溫度分布特點(diǎn)，測(cè)試不同溫度下不同耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，為窯爐耐火材料的選取提供了參考。但如何根據(jù)窯爐實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行有針對(duì)性的節(jié)能改造，仍是急需解決的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。目前熱平衡測(cè)試是對(duì)熱工設(shè)備進(jìn)行診斷分析的重要方法，是加強(qiáng) 能源管理、提高能源利用水平、降低能源消耗的重要基礎(chǔ)工作[5]。湖南臨澧某陶瓷廠一座設(shè)計(jì)產(chǎn)能為25 t/d的衛(wèi)生潔具輥道窯在生產(chǎn)中存在產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、排煙溫度高、熱效率低等問(wèn)題，為掌握其熱工狀況，解決相關(guān)熱工問(wèn)題，提高能源利用效率，對(duì)其進(jìn)行熱平衡測(cè)試分析。

1　測(cè)試對(duì)象

測(cè)試針對(duì)湖南臨澧某陶瓷廠25 t/d的衛(wèi)生潔具輥道窯的全窯系統(tǒng)進(jìn)行。該輥道窯為單層、明焰、氣燒輥道窯，主要生產(chǎn)蹲便器、洗面器、欄桿柱等衛(wèi)生潔具產(chǎn)品。采用兩塊托板并排立裝燒成，通過(guò)輥棒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)制品完成整個(gè)燒制過(guò)程。窯內(nèi)空寬1.22 m，窯內(nèi)空高0.78 m，有效長(zhǎng)度44 m，共22節(jié)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。輥道窯燃料采用天然氣，燃料低位發(fā)熱量35934 kJ/ m3。產(chǎn)品燒成溫度約1183 ℃，燒成周期約6.3 h，測(cè)試期間，其實(shí)際產(chǎn)量為18 t/d，環(huán)境溫度30.3 ℃。

圖1　輥道窯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of roller kiln structure

2　測(cè)試方案

熱平衡計(jì)算體系為整個(gè)窯爐，只考慮窯體本身熱量收入和支出的平衡。基準(zhǔn)溫度為測(cè)試期間正常生產(chǎn)的平均環(huán)境溫度。測(cè)試期間生產(chǎn)工藝過(guò)程穩(wěn)定，測(cè)試過(guò)程不影響正常生產(chǎn)，測(cè)試持續(xù)時(shí)間大于燒成周期。測(cè)試包括現(xiàn)場(chǎng)既有儀表數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)熱工參數(shù)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析三部分。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定分析主要包括粘土含量、坯體吸附水和結(jié)晶水含量的測(cè)定；現(xiàn)場(chǎng)既有儀表數(shù)據(jù)采集主要包括燃料溫度、成分以及實(shí)際消耗量數(shù)據(jù)的收集；現(xiàn)場(chǎng)熱工參數(shù)測(cè)試主要包括①環(huán)境溫度的測(cè)定；②助燃風(fēng)及冷卻空氣溫度和動(dòng)壓的測(cè)定；③抽熱風(fēng)成分、溫度和動(dòng)壓的測(cè)定；④煙氣成分、溫度和動(dòng)壓的測(cè)定；⑤生坯入窯溫度和質(zhì)量的測(cè)定；⑥成品出窯溫度、質(zhì)量和最高燒成溫度的測(cè)定；⑦托板質(zhì)量、實(shí)際運(yùn)行速度以及入窯和出窯溫度的測(cè)定；⑧窯墻、窯頂和窯底外表面溫度以及爐膛內(nèi)溫度的測(cè)定。

3　測(cè)試結(jié)果及分析

3.1測(cè)試結(jié)果

窯爐熱平衡體系只取窯體本身。以1 t出窯成品的熱量消耗為計(jì)算基準(zhǔn)，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得環(huán)境溫度為基準(zhǔn)溫度。根據(jù)《陶瓷工業(yè)窯爐熱平衡、熱效率測(cè)定與計(jì)算方法》 (GB/T 23459-2009)[6]進(jìn)行計(jì)算。熱平衡計(jì)算結(jié)果如表1所示，由于坯體表面溫度、助燃空氣溫度以及冷卻帶吹冷風(fēng)溫度均為環(huán)境溫度，故該部分顯熱未計(jì)入熱量收入項(xiàng)中。

3.2節(jié)能分析

由表1可以看出，該型輥道窯燒成產(chǎn)品的熱效率為65.4%，與國(guó)內(nèi)某型輥道窯熱效率達(dá)85.87%[7]相比，該輥道窯熱效率指標(biāo)處于中等水平，節(jié)能空間較大。通過(guò)對(duì)熱量收入和支出各項(xiàng)分析，深入挖掘輥道窯節(jié)能潛力，對(duì)提升窯爐技術(shù)水平具有重要意義。

3.2.1熱收入項(xiàng)分析

在熱量收入項(xiàng)中，燃料的燃燒熱占總收入熱量的99.81%，在總熱量收入不變情況下，提高托板帶入熱量，可減少燃料使用量，達(dá)到節(jié)能效果。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，托板出窯時(shí)溫度達(dá)66.5 ℃，而入窯時(shí)溫度為46.9 ℃，托板余熱損失約29.5%。由于現(xiàn)場(chǎng)備用托板數(shù)量較多，托板從窯尾運(yùn)出后，工人多數(shù)將其擱置一旁自然冷卻。若科學(xué)組織生產(chǎn)，在窯尾運(yùn)出的托板達(dá)到一定數(shù)量后立即送入窯頭進(jìn)入窯內(nèi)，則該部分余熱便可得到有效回收。按擺放冷卻及運(yùn)輸過(guò)程中托板余熱不可避免損失10%進(jìn)行估算，則年可減少0.28 億kJ的能量損失，即每年可節(jié)約780 m3的天然氣消耗量。

3.2.2熱支出項(xiàng)分析

(1)成品帶出熱量

由表1可知，成品帶出顯熱0.91%。降低出窯產(chǎn)品溫度不僅對(duì)提高窯爐能源利用效率具有重要意義，同時(shí)也有利于優(yōu)化工人操作環(huán)境，提高工作效率。由于輥道窯尾冷區(qū)設(shè)置有吹冷風(fēng)機(jī)，因此在窯體長(zhǎng)度不變情況下，可通過(guò)縮短緩冷區(qū)長(zhǎng)度、加長(zhǎng)尾冷區(qū)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品出窯溫度這一目的[8]。按出窯成品帶出顯熱降低40%進(jìn)行估算，則采取措施后年可減少1.5 億kJ的能量損失，即每年可節(jié)約4205 m3的天然氣消耗量。

(2)化學(xué)不完全燃燒熱損失

生產(chǎn)1 t成品產(chǎn)生的化學(xué)不完全燃燒熱損失達(dá)3629 kJ，產(chǎn)生該類熱損失的原因主要與爐膛結(jié)構(gòu)、空氣消耗量系數(shù)以及運(yùn)行操作水平等因素有關(guān)。生產(chǎn)過(guò)程中為滿足烘房干燥需要，煙氣抽出量過(guò)大，煙氣行程變短，煙氣中的可燃?xì)怏w未來(lái)得及燃燒便已抽出爐膛?？蓮暮侠碚{(diào)整煙氣抽出量來(lái)降低化學(xué)不完全燃燒熱損失。

(3)煙氣帶出顯熱

煙氣帶出顯熱占熱量總支出值較高，達(dá)27.53%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)煙氣溫度達(dá)184 ℃，采取有效措施對(duì)該部分熱量的回收具有重要意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，該部分熱量被用于烘房干燥生坯，余熱得到有效利用，無(wú)需建設(shè)專門用于干燥生坯的熱風(fēng)爐。但在煙氣余熱得到有效利用的前提下，仍存一些問(wèn)題：一是為滿足烘房干燥需要，煙氣量?jī)H憑經(jīng)驗(yàn)抽取。不合理的加大煙氣抽出量使得煙氣行程變短，高溫?zé)煔庠陬A(yù)熱帶中未能與坯體充分換熱便已離開窯體，結(jié)果導(dǎo)致離窯煙氣溫度過(guò)高。同時(shí)也容易導(dǎo)致預(yù)熱帶上下溫差過(guò)大，預(yù)熱帶上下溫差超過(guò)100 ℃；二是該輥道窯在預(yù)熱帶底部分布7對(duì)共14個(gè)排煙口，為分散排煙方式，部分煙氣在預(yù)熱帶尚未與制品充分接觸便已被靠近燒成帶的排煙口提前抽出，從而使得煙道中煙氣溫度偏高，達(dá)到184 ℃。因此，為進(jìn)一步提高窯爐技術(shù)水平，應(yīng)合理降低煙氣抽出量，將輥道窯排煙結(jié)構(gòu)改造為底部集中排煙方式。

表1　熱平衡計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of heat balance

(4)墻體表面散熱損失

墻體表面散熱損失較大，占熱量總支出的22.50%。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)窯墻、窯頂以及窯底的溫度最高處溫度分別為60.7 ℃、135.7 ℃以及183.5 ℃，表明窯墻保溫性能較好，但窯頂與窯底的保溫性能明顯偏低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試狀況，窯頂溫度最高處位于燒成帶部分，窯底溫度最高處位于預(yù)熱帶前端(底部排煙口附近)，因此應(yīng)加強(qiáng)底部排煙口附近和燒成帶頂端處保溫以進(jìn)一步降低窯體表面散熱損失。有學(xué)者在窯底保溫上提供了新的思考角度，可考慮采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的廢舊或質(zhì)量不合格的大規(guī)格半成品或成品磚代替鋼板作為窯底底板[9]。

(5)托板帶出顯熱

托板帶走熱損失0.35%，比例較小，但出燒成帶時(shí)吸熱量大，影響熱耗，可通過(guò)進(jìn)一步選用導(dǎo)熱率好、質(zhì)輕、蓄熱量少的耐火材料等來(lái)減少托板帶走蓄熱。有研究表明，托板在長(zhǎng)度和寬度不變的情況下，厚度由10.5 mm改為7.3 mm，窯爐的能耗下降了18.71%，熱效率提高近7%，且托板使用壽命變化不大[10]。這為提高窯爐熱技術(shù)水平提供了一個(gè)思路，可考慮通過(guò)采購(gòu)或定制薄托板來(lái)進(jìn)一步提高窯爐能源利用水平。托板在改薄的情況下應(yīng)考慮抗折強(qiáng)度問(wèn)題，目前有研究表明，一種以莫來(lái)石、剛玉為復(fù)合骨料，用鋁膠、α-氧化鋁微粉、無(wú)定型硅微粉合成莫來(lái)石作為結(jié)合基質(zhì)制的高溫推板，其抗熱震穩(wěn)定性能達(dá)到使用要求[11]。

(6)其他熱量損失

其他熱量損失主要為孔隙漏風(fēng)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，煙道匯總處的空氣過(guò)剩系數(shù)值為8.4，而燒嘴空氣過(guò)剩系數(shù)按1.3運(yùn)行，說(shuō)明窯體存在漏風(fēng)現(xiàn)象，有外界冷空氣通過(guò)縫隙進(jìn)入窯內(nèi)，導(dǎo)致匯總到煙道內(nèi)的空氣過(guò)剩系數(shù)值偏高。有研究表明，煙道匯總處的空氣過(guò)剩系數(shù)由5減少到3時(shí)，在其他條件不變的情況下，煙氣帶走熱量從30%降為18%，節(jié)能12%[1]。因此應(yīng)加強(qiáng)窯體密封性，尤其是窯體與輥棒之間的嚴(yán)密性，降低窯頭負(fù)壓、保證燒成帶處于微正壓，可減少冷空氣進(jìn)入窯內(nèi)，降低熱損失。

4　結(jié) 論

(1)排煙熱損失是主要的熱損失，占到總支出熱量的27.53%。其次是墻體表面散熱損失，占到總支出熱量的22.50%。系統(tǒng)熱效率為65.4%，處于國(guó)內(nèi)中等水平，能源利用效率一般，節(jié)能潛力較大。

(2)加強(qiáng)窯爐的生產(chǎn)組織和運(yùn)行管理?？蓽p少出窯托板在環(huán)境中自然冷卻時(shí)間，降低托板余熱損失；合理組織燃燒，使燃燒完全，降低煙氣中可燃?xì)怏w帶出量；減少煙氣抽出量，使煙氣在窯內(nèi)充分循環(huán)，降低排煙溫度。

(3)對(duì)窯爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將分散排煙方式改造為集中排煙方式，可降低煙氣出窯溫度，提高預(yù)熱帶中煙氣與坯體換熱效果；選用導(dǎo)熱率好、質(zhì)量輕、比熱低的薄托板可提高輥道窯熱效率；在冷卻帶總長(zhǎng)度不變的情況下，縮短緩冷區(qū)長(zhǎng)度，加長(zhǎng)尾冷區(qū)長(zhǎng)度，降低成品帶出顯熱；有利于提高系統(tǒng)熱效率。

(4)加強(qiáng)燒成帶頂端和預(yù)熱帶底部排煙口附近窯體保溫，改進(jìn)孔磚結(jié)構(gòu)或砌筑方式，以提高窯爐整體密封性效果。

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通信聯(lián)系人：歐儉平(1970-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-08-10. Revised date: 2014-09-15.

Correspondent author:.OU Jianping(1970-), male, Ph . D., Associate professor.

Thermal Balance Test and Analysis of Sanitary Ware Roller Kiln

OU Jianping, WEI Yongchun, MA Aichun, CHEN Zongwei, JIA Jinpeng
(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China)

Abstract:To improve the thermal performance of the roller kiln in a sanitary ware factory, thermal balance test and analysis of a roller kiln was carried out to solve the problems of lower production and thermal efficiency. Results show that the thermal efficiency of the roller kiln is 65.4%, which is relatively lower. It is necessary to be improved by some effective measures, such as sensible combustion organization, reducing the amount of the pumped flue gas, optimizing the way of flue gas exhausting, and using thinner supporting plate.

Key words:sanitary ware; roller kiln; thermal balance test; energy saving

中圖分類號(hào)：TQ174.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2278(2015)01-0074-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.016

收稿日期：2014-08-10。

修訂日期：2014-09-15。